Influence of accidental load on the effective power of gas-turbine and diesel engines being a part of soil cultivating units

Full Text

Введение Колебательный характер внешней нагрузки - основная причина ухудшения энергетических параметров и технико-экономических показателей работы машинно-тракторных агрегатов (МТА) [1-3]. Учет колебаний внешней нагрузки и ее влияния на основные эксплуатационные показатели позволяет обосновать и достоверно прогнозировать рациональные параметры и режимы работы МТА. Цель исследования Исследование проведено с целью определения степени влияния случайной нагрузки на эффективную мощность газотурбинного двигателя (ГТД) с параболической нагрузочной характеристикой, двигателя постоянной мощности (ДПМ) с кусочно-линейной характеристикой и обычного дизельного двигателя с кусочно-параболической характеристикой, а также с целью сравнительной оценки эффективности применения указанных двигателей на тракторах в агрегате с почвообрабатывающими машинами. Предмет исследования - закономерности изменения эффективной мощности газотурбинного двигателя ГТД-350Т, двигателя постоянной мощности Д-260.4S2 и дизельного двигателя СМД-62 в зависимости от внешней нагрузки и коэффициента ее вариации. Материалы и методы Получены экспериментальные данные по результатам лабораторно-полевых исследований работы пахотных агрегатов с тракторами, оснащенными дизельным двигателем, ДПМ и ГТД. При исследовании работы двигателей в составе почвообрабатывающих агрегатов применялись методы математического моделирования и вероятностно-статистической оценки эксплуатационных показателей технических средств. Для определения влияния колебаний внешней нагрузки на эксплуатационные показатели МТА в основном применялся метод функции случайных аргументов [1]. Результаты и их обсуждение Взаимосвязь между входными и выходными переменными определяется функциями, устанавливаемыми при аппроксимации стендовых нагрузочных характеристик двигателей (рис. 1). В качестве входной переменной (аргумента) рассматриваются крутящие моменты на валу тяговой турбины ГТД и на коленчатом валу двигателей СМД-62 и Д-260.4S2. В общем случае плотность распределения вероятностей аргумента определяется зависимостью [1]: , (1) где m - математическое ожидание (среднее значение) входного параметра; - среднее квадратическое отклонение входного параметра; X - значение входного параметра. В общем случае математическое ожидание выходных показателей МТА определяется по формуле [1, 2]: , (2) где - плотность распределения вероятностей случайной величины У (выходного параметра); - плотность распределения случайной величины (входного параметра). Рассмотрим влияние колебаний внешней нагрузки на эффективную мощность (выходной показатель) дизельного двигателя СМД-62 с кусочно-параболической нагрузочной характеристикой, двигателя постоянной мощности Д-260.4S2 с кусочно-линейной характеристикой и газотурбинного двигателя ГТД-350Т с параболической характеристикой в составе почвообрабатывающих агрегатов с тракторами Т-150К, МТЗ-2022 и газотурбинным трактором типа «Кировец» (ГТТ). Математическое ожидание эффективной мощности дизельного двигателя СМД-62, зависящее от случайного аргумента - крутящего момента , с учетом рис. 1, а и выражений (1) и (2) определим по формуле [1, 3]: , где - коэффициент; , , , - постоянные величины и угловые коэффициенты, устанавливаемые по стендовой характеристике двигателя (табл. 1); - математическое ожидание крутящего момента на валу двигателя, Н·м; , - интегральная функция Лапласа и плотность распределения вероятностей аргумента ; - коэффициент вариации (мера рассеяния) нагрузки . , где - среднее квадратическое отклонение параметра . , или . Математическое ожидание эффективной мощности двигателя Д-260.4S2 с учетом рис. 1, б и выражений (1) и (2) можно определить по формуле [3, 4]: , где , , , , , - постоянные величины и угловые коэффициенты эффективной мощности ДПМ (табл. 2); , - интегральные функции Лапласа; , - плотности распределения вероятностей аргументов и . Математическое ожидание эффективной мощности двигателя ГТД-350Т с учетом рис. 1, в и выражений (1) и (2) можно определить по зависимости [2, 3]: , где ; A, B - коэффициенты (табл. 3); - коэффициент вариации нагрузки Мт. Таблица 1 Постоянные величины и угловые коэффициенты энергетических параметров дизельного двигателя СМД-62 (для определения эффективной мощности и частоты вращения коленчатого вала двигателя) 2280 6160 -0,3261 -7,3551 8440 3880 -7,6812 -7,029 Таблица 2 Постоянные величины и угловые коэффициенты энергетических параметров двигателя постоянной мощности Д-260.4S2 Эффективная мощность 0 147,4 409,2 0,207 0 -0,308 409,2 -147,4 -261,8 -0,101 0,207 0,308 Частота вращения коленчатого вала 2167 3490,508 5990 -0,301 -2,159 -5,1 8157 -1323,507 -2449,493 -5,40056 1,859 2,941 Таблица 3 Основные параметры, установленные по типовым характеристикам газотурбинного двигателя ГТД-350Т A, мин-1 B, мин-1/(Н·м) , кВт 1 0,95 2,04 2,045 10 820 10 285 -11,79 -12,24 260 226 Примечание: - уровень реализации частоты вращения вала тяговой турбины; , - текущее и номинальное значения частоты вращения вала тяговой турбины, мин-1; - кратность моментов, или коэффициент приспособляемости ГТД. Вероятностный коэффициент , учитывающий изменения эффективной мощности двигателей при колебательном характере нагрузки, определяется отношением [1]: . Экстремальные (максимальные) значения эффективной мощности рассматриваемых двигателей определялись методом последовательного приближения с помощью программ для ЭВМ [4, 5]. На рис. 2 представлены графические зависимости изменения экстремальных значений эффективной мощности двигателей СМД-62, Д-260.4S2 и ГТД-350Т от нагрузки (момента на валу двигателя). На рис. 3 представлены зависимости экстремальных значений уровня использования эффективной мощности двигателей СМД-62, Д-260.4S2 и ГТД-350Т в составе почвообрабатывающих агрегатов Т-150К + ПН-5-35, МТЗ-2022 + ППН-8.30/50 и ГТТ + ПНИ-8/9-40. Результаты исследований показывают, что при колебательном характере внешней нагрузки экстремальные значения уровня использования эффективной мощности двигателей изменяются в следующих пределах (при ): - для СМД-62 с кусочно-параболической нагрузочной характеристикой - для Д-260.4S2 с кусочно-линейной нагрузочной характеристикой - для ГТД-350Т с параболической нагрузочной характеристикой Установленные экстремальные значения вероятностного коэффициента также характеризуют потери мощности двигателя от колебаний внешней нагрузки. При максимальном значении коэффициента вариации нагрузки = 0,333 эффективная мощность снижается относительно номинального значения: для СМД-62 на 27,9%; для Д-260.4S2 на 21%; для ГТД-350Т на 10,4%. Выводы Анализ представленного материала показывает, что кусочно-линейная нагрузочная характеристика ДПМ более рациональна, чем кусочно-параболическая нагрузочная характеристика дизельных двигателей. Параболическую нагрузочную характеристику ГТД следует считать самой эффективной и менее чувствительной к колебаниям внешней нагрузки МТА. Эта нагрузка не оказывает непосредственного влияния на процессы в камере сгорания ГТД, так как между роторами турбины компрессора и тяговой турбины существует только газодинамическая связь. Это свидетельствует о том, что применение ГТД на тракторах имеет большие перспективы и позволяет повысить производительность МТА, особенно на энергоемких процессах обработки почвы, в среднем на 18-22% по сравнению с тракторами, оснащенными дизельными двигателями. Применение ГТД на тракторах отвечает техническим и технологическим требованиям к с.-х. технике, используемой в растениеводстве и его подотрослях. Тракторы с ГТД по сравнению с тракторами, оснащенными дизельными двигателями, обеспечивают конкурентоспособность отечественных технических средств за счет повышения их производительности и надежности в 1,2-1,3 раза, снижения затрат труда на 15-20%, повышения уровня энергоэффективности с.-х. производства, что предусмотрено «Государственной программой развития сельского хозяйства» и «Стратегией машинно-технологической модернизации сельского хозяйства России на период до 2020 года».

About the authors

V. S Shkrabak

Saint-Petersburg State Agrarian University

Email: v.shkrabak@mail.ru
DSc in Engineering Saint Petersburg - Pushkin, Russia

N. I Dzhabborov

Institute for Agricultural Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production

Email: nozimjon-59@mail.ru
DSc in Engineering Saint Petersburg, Tyarlevo, Russia

D. S Fed'kin

Institute for Agricultural Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production

PhD in Engineering Saint Petersburg, Tyarlevo, Russia

R. V Shkrabak

Saint-Petersburg State Agrarian University

PhD in Engineering Saint Petersburg - Pushkin, Russia

References

Supplementary files